נקודת הקפאה: כיצד מחשבים זאת ודוגמאות - כִּימִיָה - 2025

נקודת הקיפאון היא הטמפרטורה שבה חומר חווה שיווי משקל מעבר נוזל-מוצק. כשמדובר בחומר זה יכול להיות תרכובת, יסוד טהור או תערובת. באופן תיאורטי, כל החומר קופא ככל שהטמפרטורה יורדת לאפס מוחלט (0K).

עם זאת, אין צורך בטמפרטורות קיצוניות כדי להקפיא על הקפאת נוזלים. שרידי קרח הם אחת הדוגמאות הבולטות ביותר לגופי מים קפואים. באופן דומה ניתן לעקוב אחר התופעה בזמן אמת באמצעות אמבטיות חנקן נוזליות, או באמצעות מקפיא פשוט.

מקור: Pxhere

מה ההבדל בין הקפאה להתמצקות? כי התהליך הראשון תלוי מאוד בטמפרטורה, בטוהר הנוזל, והוא שיווי משקל תרמודינמי; בעוד שהשני קשור יותר לשינויים בהרכב הכימי של החומר שמתמצק, גם בלי להיות נוזלי לחלוטין (משחה).

לכן הקפאה היא התמצקות; אבל ההפך לא תמיד נכון. יתר על כן, כדי לשלול את המונח התמצקות, חייב להיות שלב נוזלי בשיווי משקל עם המוצק של אותו חומר; קרחונים עושים זאת: הם צפים על מים נוזליים.

לפיכך, אחד עומד מול הקפאת נוזל כאשר נוצר שלב מוצק כתוצאה מירידה בטמפרטורה. לחץ משפיע גם על תכונה פיזית זו, אם כי השפעותיו פחות בנוזלים עם לחץ אדי נמוך.

מהי נקודת ההקפאה?

ככל שהטמפרטורה יורדת, האנרגיה הקינטית הממוצעת של המולקולות יורדת, ולכן הן מאטיות מעט. כשאתה הולך לאט יותר בנוזל, מגיעה נקודה בה הם מתקשרים מספיק כדי ליצור סידור מסודר של מולקולות; זהו המוצק הראשון שממנו יצמחו גבישים גדולים יותר.

אם המוצק הראשון הזה "מתנדנד" יותר מדי, יהיה צורך להוריד את הטמפרטורה עוד יותר עד שהמולקולות שלה יישארו עדיין מספיקות. הטמפרטורה בה מושג זה תואמת את נקודת ההקפאה; משם נוצר שיווי המשקל הנוזלי-מוצק.

התרחיש הקודם מתרחש עבור חומרים טהורים; אבל מה אם הם לא?

במקרה כזה, על המולקולות של המוצק הראשון להצליח לשלב את המולקולות הזרות. כתוצאה מכך נוצר מוצק טמא (או תמיסה מוצקה) הדורש טמפרטורה נמוכה מנקודת ההקפאה ליצירתו.

אנו מדברים אז על הורדת נקודת ההקפאה. ככל שישנן יותר מולקולות זרות, ובאופן נכון יותר זיהומים, הנוזל יקפא בטמפרטורות נמוכות ונמוכות יותר.

הקפאה לעומת מסיסות

בהינתן תערובת של שני תרכובות, A ו- B, עם ירידת הטמפרטורה, A קופא, בעוד B נשאר נוזלי.

התרחיש דומה למה שהוסבר זה עתה. חלק מ- A טרם קפא, ולכן הוא מומס ב- B. האם זה איזון שיוויון המסיסות שאנחנו מדברים עליו ולא מעבר מוצק-נוזלי?

שני התיאורים תקפים: משקע או קופא, ונפרד מ- B עם ירידת הטמפרטורה. כל א 'ירד כשאין עוד אחד ממנו מומס ב B; שזה אותו דבר כמו להגיד ש- A קפא לחלוטין.

עם זאת, נוח יותר לטפל בתופעה מנקודת מבט של הקפאה. לפיכך, A קופא תחילה מכיוון שיש לו נקודת הקפאה נמוכה יותר, בעוד ש- B תזדקק לטמפרטורות קרירות יותר.

עם זאת, "קרח A" מורכב למעשה ממוצק שיש לו הרכב עשיר יותר של A מאשר B; אבל ב 'גם שם. הסיבה לכך היא ש- A + B היא תערובת הומוגנית, ולכן חלק מאותה הומוגניות מועברת למוצק הקפוא.

איך לחשב את זה?

איך אתה יכול לחזות או לחשב את נקודת ההקפאה של חומר? ישנם חישובים פיזיקו-כימיים המאפשרים להשיג ערך משוער של נקודה זו בלחצים אחרים (מלבד 1 אטם, לחץ הסביבה).

עם זאת, אלה מובילים לאנטלפיה של היתוך (Δ _Fus ); שכן, האיחוי הוא התהליך במובן ההפוך של ההקפאה.

יתר על כן, באופן ניסוי קל יותר לקבוע את נקודת ההיתוך של חומר או תערובת מאשר נקודת ההקפאה שלו; למרות שהם עשויים להיראות זהים, הם מראים הבדלים מסוימים.

כאמור בסעיף הקודם: ככל שריכוז הזיהומים גבוה יותר, כך הירידה בנקודת הקפאה גדולה יותר. ניתן לומר זאת גם כך: ככל שחלק השומה X של המוצק בתערובת נמוך יותר, הקפוא יהיה נמוך יותר.

משוואת ירידת טמפרטורה

המשוואה הבאה מבטאת ומסכמת את כל מה שנאמר:

LnX = - (Δ _Fus / R) (1 / T - 1 / Tº) (1)

כאשר R הוא קבוע הגז האידיאלי, שיש לו שימוש כמעט אוניברסאלי. Tº היא נקודת ההקפאה הרגילה (בלחץ הסביבה), ו- T היא הטמפרטורה בה הקפוא של המוצק לקצף שומה X.

ממשוואה זו, ואחרי סדרת הפישוטים, מתקבל הבא, הידוע יותר:

ΔTc = K _F m (2)

כאשר m הוא המולאליות של המומס או הטומאה, ו- K _F הוא הקבוע הקריוסקופי של הממס או המרכיב הנוזלי.

דוגמאות

תיאור קצר של הקפאת חומרים מסוימים יינתן להלן.

מים

המים קופאים סביב 0 מעלות צלזיוס. עם זאת, ערך זה עשוי לרדת אם הוא מכיל מומס מומס בו; לומר, מלח או סוכר.

תלוי בכמות המומסים המומסים, ישנן מולקולות שונות מ '; וככל ש- m עולה, X יורד, שניתן להחליף את ערכו במשוואה (1) וכך לפתור עבור T.

לדוגמה, אם תכניס כוס מים למקפיא, ואחרת עם מים ממותקים (או כל משקה על בסיס מים), כוס המים תקפיא תחילה. הסיבה לכך היא שהגבישים שלה נוצרים מהר יותר ללא הפרעה של מולקולות גלוקוז, יונים או מינים אחרים.

אותו דבר היה קורה אם תכניס כוס מי ים למקפיא. כעת, כוס מי הים עשויה להיות מוקפאת קודם או לא יותר מכוס המים הממותקים; ההבדל יהיה תלוי בכמות המומסים ולא באופיו הכימי .

מסיבה זו הירידה ב- Tc (טמפרטורת הקפאה) היא תכונה קולטיבית.

כּוֹהֶל

מקור: Pixabay

אלכוהולים קופאים בטמפרטורות קרות יותר מאשר מים נוזליים. לדוגמה, אתנול קופא סביב -114 מעלות צלזיוס. אם מערבבים עם מים ומרכיבים אחרים, תהיה עלייה בנקודת ההקפאה להפך.

למה? מכיוון שמים, חומר נוזלי שאינו ניתן לאלכוהול, קופאים בטמפרטורה גבוהה בהרבה (0 מעלות צלזיוס).

חוזרים למקרר עם כוסות המים, אם הפעם יוכנס אחד עם משקה אלכוהולי, זה יהיה האחרון להקפיא. ככל שמדרגת האתיל גבוהה יותר, המקפיא יצטרך לקרר אותו עוד יותר כדי להקפיא את המשקה. מסיבה זו קשה יותר להקפיא משקאות כמו טקילה.

חלב

מקור: Pixabay

חלב הוא חומר על בסיס מים, בו פיזור השומן יחד עם לקטוז וסידן פוספטים, בנוסף ליפופרוטאינים אחרים.

אותם רכיבים המסיסים יותר במים קובעים עד כמה נקודת ההקפאה שלהם תשתנה עם ההרכב.

בממוצע, חלב קופא בטמפרטורה סביב -0.54 מעלות צלזיוס, אך הוא נע בין -0.50 ל -0.56 תלוי באחוז המים. כך, ניתן לדעת אם החלב הולם. וכפי שאתה יכול לראות, כוס חלב תקפיא כמעט בשווה עם כוס מים.

לא כל החלב קופא באותה טמפרטורה, מכיוון שהרכבו תלוי גם במקור החייתי שלו.

כַּספִּית

כספית היא המתכת היחידה שנמצאת בצורה נוזלית בטמפרטורת החדר. כדי להקפיא אותו, יש צורך להוריד את הטמפרטורה ל -38.83ºC; והפעם יימנע הרעיון של לשפוך אותו לכוס ולהכניס אותו למקפיא, מכיוון שהוא עלול להוביל לתאונות איומות.

שימו לב שכספית קופאת לפני אלכוהול. יתכן שזה נובע מהעובדה שגביש הכספית רוטט פחות מכיוון שהוא מורכב מאטומים המקושרים באמצעות קשרים מתכתיים; ואילו באתנול מדובר במולקולות CH ₃ CH ₂ OH קלות יחסית שיש להכיל אותן באטיות.

בֶּנזִין

מבין כל הדוגמאות לנקודת הקפאה, בנזין הוא המורכב ביותר. כמו חלב, זה תערובת; אך הבסיס שלה אינו מים, אלא קבוצה של פחמימנים שונים, שלכל אחד מהם מאפיינים מבניים משלו. חלקם של מולקולות קטנות, וחלקן גדולות.

אותם פחמימנים עם לחץ אדי נמוך יותר יקפאו תחילה; בעוד שהאחרים יישארו במצב נוזלי, אפילו אם כוס בנזין מוקפת בחנקן נוזלי. זה לא יווצר כראוי "קרח בנזין", אלא ג'ל עם גוונים צהובים-ירוקים.

כדי להקפיא בנזין לחלוטין, יתכן שיהיה צורך לקרר את הטמפרטורה ל -200 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה זו סביר להיווצר קרח בנזין, מכיוון שכל מרכיבי התערובת קפאו; כלומר, לא יהיה עוד שלב נוזלי בשיווי משקל עם מוצק.

הפניות

1. המחלקה לפיזיקה, אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין. (2018). שאלות ותשובות: הקפאת בנזין. התאושש מ: van.physics.illinois.edu
2. אירה נ. לוין. (2014). עקרונות הפיזיקו-כימיה. (המהדורה השישית). מק גריי היל.
3. גלססטון. (1970). אמנה פיזיוכימית. אגילאר SA de Ediciones, חואן בראבו, 38, מדריד (ספרד).
4. וולטר ג'יי מור. (1962). כימיה פיזיקלית. (גרסה רביעית). לונגמנים.
5. סיבגרופריבור. (2015). קביעת נקודת הקפאה של חלב. התאושש מ: sibagropribor.ru
6. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (22 ביוני 2018). נקודת הקפאה של אלכוהול. התאושש מ: thoughtco.com